I colori della luce

Vi siete mai chiesti se tutte le persone vedono i colori nello stesso modo? Come facciamo a sapere se stiamo usando gli occhi nel modo giusto? Qual è il ruolo della luce  nella nostra vita e cosa succede ai colori se cambia l’illuminazione?

Proviamo a rispondere a queste domande e a capire come raccontare ai bambini i segreti della luce.

L’obiettivo del percorso dedicato alla luce è scoprire il legame tra luce e colori.

Gli esperimenti ci serviranno ad identificare le differenze tra luce naturale e luce artificiale, a conoscere la diversa percezione dei colori tra esseri umani e animali e a capire come gli occhi riescano a farci vedere i colori.

Iniziamo con il chiedere ai nostri piccoli visitatori:

A cosa servono i nostri occhi?

Cosa succede se li chiudiamo?

Domandiamo ai bambini di chiudere gli occhi e raccontarci cosa succede. L’obiettivo è far capire che  noi vediamo tutto ciò che ci circonda, e soprattutto i colori, grazie alla luce .

Concentriamoci su quella più importante di tutte: il Sole.

Di che colore è la luce? I bambini di solito disegnano il Sole con il colore giallo, quindi la risposta più comune a questa domanda è: gialla!

Proviamo a verificare questa risposta facendo un esperimento. Per svolgere questa attività abbiamo bisogno di prendere degli oggetti di colore giallo e arancione. Consegniamone uno ad ogni bambino (distribuiamoli in modo da alternare i due colori). Quando tutti i partecipanti avranno una oggetto chiediamo di guardarne attentamente il colore. Accendiamo una lampada di colore giallo (noi in laboratorio usiamo una lampada al sodio). La stanza diventerà tutta gialla e la nostra capacità di vedere i colori sarà alterata dalla forte presenza di luce colorata. Tutti gli oggetti (anche quelli arancioni) ci sembreranno gialli. Anche i colori dei vestiti e gli arredi nella stanza ci sembreranno diversi.

Cosa è successo?

La luce del Sole non può essere gialla: il giallo coprirebbe molti colori e non riusciremmo più a vederli in modo corretto.

Quindi di che colore è davvero la luce del Sole?

Per svolgere la prossima attività abbiamo bisogno di un prisma o di occhiali come questi:

O useremo un prisma come quello nella foto:

Rifrazione della luce

Per svelare il vero colore della luce, useremo un prisma o indosseremo gli occhiali speciali che ci aiuteranno a osservare la luce con occhi diversi. Distribuiamo gli occhiali, facciamoli indossare e invitiamo i bambini a guardare la luce diffusa sul soffitto del laboratorio.  La luce, è formata da tutti i colori, gli occhiali la scompongono e ci fanno vedere i colori dell’arcobaleno.

Se un colore diventa dominante copre in parte anche gli altri, così da non farci più vedere i colori dell’arcobaleno. Teniamo gli occhialini e usiamo i faretti RGB.

Cos' è il sistema RGB?

Il modello RGB si basa su tre colori primari: il rosso, il verde e il blu, da cui appunto l’acronimo inglese RGB (Red-Green-Blue). L’RGB è un modello additivo: unendo i tre colori primari si ottiene il bianco, poiché tutta la luce viene riflessa. Il modello RGB viene utilizzato per le immagini visualizzate unicamente su un monitor, una TV, uno smartphone o qualsiasi altra sorgente luminosa per la quale valga il modello additivo della luce.

Sintesi additiva

Usiamo i faretti RGB per parlare di sintesi additiva e vedere le ombre colorate. Red, green e blue sono i colori primari della luce. Se proiettiamo le luci colorate sulla parete usando dei faretti, scopriamo che sovrapponendoli otteniamo la luce bianca. Se frapponiamo un oggetto o una persona tra le luci e la parete, vedremo la sua ombra e faremo una fantastica scoperta: le ombre colorate. I bambini giocheranno con le ombre colorate e scopriranno la differenza tra colori primari e colori complementari. Se invece lavoriamo con i  pigmenti otteniamo la sintesi sottrattiva.

Cos' è la sintesi sottrattiva?

Con sintesi sottrattiva ci riferiamo ai colori primari dei pigmenti che sono la caratteristica primaria della materia. I colori principali della sintesi sottrattiva sono ciano, magenta, giallo (CMY) e con la somma dei tre si ottiene il nero (K). Ogni materia da noi conosciuta, ogni superficie, ogni oggetto, assorbono in maniera selettiva solo alcune lunghezze d’onda della luce e a sua volta ne riflette altre. Per quanto riguarda la sintesi sottrattiva quindi, il colore percepito dall' occhio umano è determinato dai colori sottratti dalla luce bianca.

Il risultato della totale sottrazione dei colori al pigmento quindi va a creare il nero.

Esperimento con la Sintesi sottrattiva CMYK

Prendiamo delle lavagne luminose. Distribuiamo delle palette colorate, degli oggetti semitrasparenti o dei pezzettini di carta da lucido di diversi colori.

L’obiettivo è sovrapporre gli oggetti su una base luminosa per osservare cosa succede ai colori. Con la sintesi sottrattiva, togliamo luce e facciamo una sottrazione. La sovrapposizione di tutti i colori forma il nero.

Parlando di vista e luce possiamo fare anche un confronto con la vista degli esseri umani e la vista di animali e insetti. I gatti hanno delle pupille molto dilatate, quindi al buio riescono a catturare molta più luce degli esseri umani. Proponiamo un gioco/esperimento e facciamo provare ai bambini la sensazione di vedere con il buio. Prendiamo un evidenziatore fluorescente, facciamo un segno sulla mano o sul naso di ogni partecipante e accendiamo la lampada di Wood.

Cosa è la lampada di Wood?

Per lampada di Wood (dal nome dello scienziato statunitense Robert Williams Wood) o luce nera si intende una sorgente luminosa che emette radiazioni elettromagnetiche prevalentemente nella gamma degli ultravioletti e, in misura trascurabile, nel campo della luce visibile. In molti campi la lampada di Wood è anche detta semplicemente "lampada UV" (è possibile acquistare facilmente una Wood per svolgere gli esperimenti, ne esistono anche delle versioni in forma di torcia). Quando tutto è pronto spegniamo le luci e accendiamo la lampada UV: la stanza rimane al buio ma rende luminosi i segni fatti con l’evidenziatore. Questa simulazione ci permette di provare i super poteri dei gatti.

Visori da mosche

Molti insetti hanno una vista speciale. Prendiamo come esempio la mosca. Chiediamo ai bambini di trasformarsi in piccole mosche per capire se ci son differenze con la vista degli esserei umani.

Consegniamo ad ogni bambino un visore che scompone la vista in tanti piccoli riquadri come quello nella foto.

Domandiamo loro di guardarsi attorno. Le mosche vedono in modo differente dagli esseri umani. L’immagine sembra scomposta in tanti piccoli segmenti: per i bambini sarà difficile percepire le immagini e muoversi nello spazio, mentre le mosche nella realtà riescono a vedere molto bene.

Exhibit estate: Micromondi

Per l'estate stiamo preparando un exhibit/installazione in cui i visitatori potranno guardare attraverso lenti, stereoscopi e microscopi per scoprire le cose da moooolto vicino.

Ecco qui alcune foto che abbiamo fatto.

Per alcune abbiamo usato uno stereoscopio Intel Play, che è facile da usare, ha tre tipi di ingrandimenti (10x, 60x e 200x) e si attacca al PC con un semplice cavetto usb. Il programma per visualizzare le immagini sullo schermo si installa da CD o si scarica in rete e consente di fare foto e anche piccoli filmati.

Il vantaggio dello stereoscopio è che le cose si vedono tridimensionali e non bisogna preparare alcun vetrino.

Mentre per l'ingrandimento 10x si può direttamente appoggiare la lente dello stereoscopio su una superficie, ad es. la manica del maglione, la pelle del braccio, la superficie di un giornale o quella di un biscotto, per gli ingrandimenti maggiori conviene posizionare lo strumetno sulla sua base, altrimenti i movimenti non consentono di mettere bene a fuoco gli oggetti.

In ogni caso bisogna ricordarsi di avere abbastanza luce per guardare l'oggetto in questione.

Biscotto - stereoscopio ingrandimento 10x

Punta di matita - stereoscopio ingrandimento 10x

Abbiamo poi fatto delle foto con dei microscopi ottici con possibilità di ingrandimento 40x, 100x e 400x. In questo caso si perde in tridimensionalità, ma si guadagna in meravigliosi dettagli.

Ecco alcuni risultati interessanti:

Foglia di zucchina - microscopio ottico ingrandimento 100x

Foglia di trifoglio- microscopio ottico ingrandimento 40x

Fotografia su giornale stampato (si vede il retino dei singoli colori primi - a occhio nudo queste sezioni apparivano uniformemente azzurre e grigie) - microscopio ottico ingrandimento 40x

Petalo di fiore - microscopio ottico ingrandimento 100x

Petalo di fiore - microscopio ottico ingrandimento 400x

Tessuto - microscopio ottico ingrandimento 100x

Velcro (si vedono i gancini) - microscopio ottico ingrandimento 40x

Polvere - microscopio ottico ingrandimento 100x

Andare in salita con la ruota che sembra ferma

Il post è stato modificato dopo la pubblicazione

Uso la bicicletta per andare dalla stazione a casa e dato che abito in collina mi tocca affrontare una serie di salitelle. L'ultima è abbastanza impegnativa, metto un rapporto corto e salgo lentamente. Un paio di giorni fa ho fatto un po' più tardi del solito e sono salito che era già buio. Affronto l'ultima salita e non è che guardi il paesaggio, fisso la strada davanti a me, e vedo la ruota anteriore: a un certo punto distinguo abbastanza chiaramente i tasselli del copertone, che è da mountain bike, come se la ruota fosse ferma. Uhm, ferma?! mumble mumble. Mi ricorda i piatti dei giradischi (do you remember giradischi?): sul bordo c'era una specie di scacchiera che veniva illuminata da una lucina lampeggiante e che faceva da riferimento per regolare con precisione la velocità di rotazione del piatto. 

C'è in ballo un effetto stroboscopico. La lucina lampeggiante del giradischi è stata sostituita dai lampioni stradali che evidentemente emettono luce impulsata, penso con la frequenza di 50 Hz della rete elettrica (mi sono accorto che il lampeggiare della luce è a 100 Hz, vedi il post Oops, la ruota strobo rivista e corretta). Lampi a 50 Hz non vengono percepiti come distinti dal sistema occhio-cervello, che percepisce un'illusione di continuità anche con i 25 fotogrammi al secondo delle riprese cinematografiche (e anche con i 18 fotogrammi al secondo delle riprese con il vecchio super 8). 
La ruota gira con una sua frequenza, la luce del lampione ha la sua. Quando le due frequenze sono uguali un lampo illumina un tassello nella posizione 1 e il successivo, lungo il copertone, nella posizione 2 e quello dopo nella posizione 3 - prima che scocchi il successivo lampo di luce, quindi la ruota non è illuminata e non vedo nulla, il tassello che era nella posizione 1 passa nella posizione 2 e quello che era al 2 passa al 3 e un nuovo tassello va alla 1 - dato che i tasselli sono uguali fra loro, il successivo lampo di luce mi mostra una situazione identica alla precedente e sembra che non ci sia stato movimento.   

Ho fatto qualche prova, insieme a Stefano e Francesco. Ho capovolto una bicicletta appoggiando sul pavimento il manubrio e il sellino, in una stanza illuminata solo da un paio di lampade al neon (le finestre sono chiuse e completamente oscurate). Ho messo un rapporto corto e girando i pedali ho visto lo stesso effetto stroboscopico. Allora ho incollato sul copertone striscie di nastro adesivo di carta a distanza regolare e maggiore della distanza fra i singoli tasselli e di nuovo ho girato i pedali. L'effetto strobo (di ruota ferma) c'è ancora, ma a frequenza superiore. Allora ho messo un rapporto più lungo: girando molto velocemente ho trovato l'effetto strobo, ho smesso di "pedalare" lasciando che la ruota rallentasse per conto suo. L'effetto è scomparso, per riapparire dopo un po', a frequenza minore, poi è di nuovo scomparso ed è riapparso ancora. Senza un misuratore di frequenza non so dire quali fossero le frequenze di pedalata, ma mi aspetto che siano multipli interi della frequenza base di 50 Hz. 

Ho fatto una prova anche con una lampada stroboscopica, di quelle che si usano per le feste e costano poco (non quelle da laboratorio). La frequenza della lampada si può regolare ma rimane comunque inferiore ai 50 Hz. L'effetto striscie ferme si vede, è netto, ma in qualche senso mi piace di più quello più "sporco" che si vede con la lampada al neon. 

Annotazioni pratiche. Nella stanza buia in cui abbiamo svolto le prove ci sono due lampade al neon, sul soffitto e vicine l'una all'altra. L'effetto si vede anche con entrambe accese, ma poi abbiamo spento una delle due pensando che se sono leggermente sfasate l'effetto è meno evidente. Non so dire se sia così, dobbiamo fare qualche prova più sistematica. 
La bicicletta ha un tachimetro: un magnete è montato su un raggio della ruota e una bobina fissata alla forcella invia impulsi elettrici alla centralina ad ogni passaggio del magnete. Quando si prepara il tachimetro bisogna digitare la circonferenza della ruota, così la centralina passa dalla frequenza alla velocità. Comunque non ci è stato utile perchè è montato sulla ruota anteriore, che ovviamente rimane ferma durante le nostre prove :-) Lo devo installare sulla ruota posteriore così potrò ricavare dalla velocità la frequenza di pedalata (peccato che non ci sia la possibilità di leggere direttamente la frequenza). 
Ho messo sulla ruota 28 strisce di nastro di carta, e la ruota ha 36 raggi. Dopo aver fatto girare velocemente la ruota e lasciandola rallentare si vedono due effetti strobo, uno per le strisce di carta e uno, a frequenza diversa, per i raggi. 
Mentre effettuavamo le riprese video ci siamo accorti che a volte vedevamo sul display un movimento un po' diverso da quello che vedevamo direttamente. E' che anche il display mostra le immagini con una certa frequenza e questo può generare a sua volta un effetto strobo quando si sovrappone a un fenomeno a sua volta periodico. Il mondo attorno a noi è pieno di ritmi, spesso interconnessi! 

L'effetto stroboscopico viene usato per costruire un tipo di zootropio o zoetropio: qui  c'è la voce di wikipedia italiana e qui quella inglese. Qui sotto c'è un esempio di zootropio che usa proprio un piatto di giradischi, e si vede la "scacchiera" utilizzata per la regolazione fine dei 33 e dei 45 giri al minuto. 

Due zootropi molto grandi: Sisyphish  azionato a pedali e Deeper , entrambi in azione durante un Burning man event  nel deserto del Nevada (ecco il sito per il 2011, si è già svolto). Ed ecco un esempio particolarmente divertente.